Supersolid ze światła w temperaturze pokojowej. Fizycy z UW i WAT pokazali paski i wiry
Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej, razem z zespołami z Francji, Szwajcarii, Niemiec i Wielkiej Brytanii, uzyskali w temperaturze pokojowej stan materii nazywany supersolidem – „kondensat” złożony w dużej mierze ze światła. Wyniki opublikowano 16 października 2026 r. w „Science Advances”.
Czym jest supersolid?
Supersolid łączy dwie pozornie sprzeczne cechy. Z jednej strony ma uporządkowaną, okresową strukturę jak kryształ. Z drugiej – zachowuje się jak nadciecz, czyli może płynąć bez tarcia. Istnienie takiego stanu przewidywano najpierw dla helu, ale tam trudno go było zaobserwować. Autorzy przypominają, że supersolidy mogą odgrywać rolę we wnętrzach gwiazd neutronowych, tłumacząc nagłe zmiany ich tempa obrotu.
Dotąd supersolidy uzyskiwano głównie w ultrazimnych gazach atomów, w temperaturach poniżej milionowej części kelwina. Fizycy wypracowali trzy drogi: nałożenie na kondensat atomów „sieci” ze światła laserowego, wytworzenie tzw. sprzężenia spin–orbita albo wykorzystanie atomów o silnych właściwościach magnetycznych, które same układają się w okresowy wzór kropel. Warszawski zespół poszedł drugą drogą, ale w zupełnie innym układzie: z polarytonami ekscytonowymi.
Światło, które zachowuje się jak materia
Polaryton to cząstka „pół na pół”: powstaje, gdy foton uwięziony między dwoma lustrami silnie sprzęga się z ekscytonem, czyli wzbudzeniem w materiale. Takich quasi-cząstek może być bardzo dużo w jednym stanie kwantowym – tworzą wtedy kondensat Bosego–Einsteina, swego rodzaju „płyn światła”.
Badacze zbudowali nowy typ mikrownęki optycznej. Między dwoma zwierciadłami umieścili warstwę ciekłego kryształu nematycznego, a po obu jej stronach – cienkie, 35-nanometrowe warstwy organicznego polimeru MeLPPP, w którym powstają ekscytony. Cząsteczki ciekłego kryształu można obracać napięciem przyłożonym do przezroczystych elektrod. W ten sposób fizycy stroili właściwości optyczne wnęki i wytworzyli tzw. sprzężenie spin–orbita. Sprawia ono, że polarytony mają dwa równorzędne „dołki” energetyczne, w których mogą się gromadzić.
Paski, które pojawiają się w losowych miejscach
Gdy próbkę oświetlano silnymi impulsami lasera, polarytony kondensowały jednocześnie w obu dołkach. Dwa kondensaty interferowały ze sobą, a w obrazie pojawiały się regularne paski gęstości – właśnie ta „krystaliczna” cecha supersolidu. Kluczowe było to, co działo się w pomiarach jednostrzałowych: przy każdym kolejnym impulsie paski układały się w innym, przypadkowym miejscu, mimo nieuniknionych niedoskonałości próbki. Według autorów oznacza to spontaniczne złamanie symetrii, a odporność na nieporządek jest typowa dla nadcieczy.
W ok. 10 proc. realizacji kondensatu badacze zaobserwowali też skwantowane wiry – kolejny znak rozpoznawczy nadciekłości. „Te obserwacje potwierdzają supersolidową naturę obserwowanej fazy” – piszą autorzy (tłum. Biomist).
Wszystko działo się w temperaturze pokojowej. Pomiary potwierdziły silne sprzężenie światła z materią – tzw. rozszczepienie Rabiego wyniosło ok. 93 meV – a kondensacja zachodziła powyżej progu ok. 95 µJ/cm² na impuls. Zespół zwraca uwagę, że polimer MeLPPP jest odporny na światło – w przeciwieństwie do perowskitów, których wcześniej używano w podobnych wnękach – co pozwala wielokrotnie powtarzać pomiary w tym samym miejscu. Kwantowy świat, w którym cząstki zachowują się jak fale, przybliża m.in. książka Andrzeja Dragana, którą recenzowaliśmy.
Ograniczenia
Sami autorzy zastrzegają, że pełne potwierdzenie nadciekłości paskowej fazy wymaga dalszej analizy ilościowej. Przy gęstościach kondensatu tuż nad progiem paski były częściowo „przypięte” do defektów próbki, co wskazuje na zachowanie niebędące nadciekłym. Jakość polimeru w mikrownękach pogarszała się w ciągu dni lub tygodni, prawdopodobnie przez oddziaływanie z ciekłym kryształem, dlatego zespół przygotował serię podobnych próbek. To badanie podstawowe – nie zapowiada konkretnego urządzenia, choć według autorów otwiera drogę do badań kwantowych płynów światła w temperaturze pokojowej.
Kto prowadził badania?
Z polskiej strony autorami są m.in. Marcin Muszyński, Piotr Kapuściński, Przemysław Oliwa, Barbara Piętka i Jacek Szczytko (Wydział Fizyki UW) oraz Rafał Mazur, Przemysław Morawiak, Wiktor Piecek i Przemysław Kula (WAT). W zespole byli też naukowcy z Institut Pascal w Clermont-Ferrand, IBM Research Europe w Zurychu, Uniwersytetu w Wuppertalu i Uniwersytetu w Southampton. Badania finansowało m.in. Narodowe Centrum Nauki.
Słowniczek: gwiazda neutronowa – wyjaśnienia pojęć z tego tekstu.
Źródła i daty
- M. Muszyński, P. Kokhanchik, R. Mirek i in. (21 autorów; m.in. B. Piętka, J. Szczytko), „Observation of a supersolid phase in a spin-orbit coupled exciton-polariton Bose-Einstein condensate”, Science Advances – online 16.10.2026 – doi:10.1126/sciadv.aee4875; pełny tekst w Europe PMC.
- Afiliacje polskich autorów: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego; Instytut Fizyki Technicznej i Instytut Chemii Wojskowej Akademii Technicznej. Granty NCN: 2019/35/B/ST3/04147, 2019/33/B/ST5/02658, 2022/47/B/ST3/02411, 2023/51/B/ST3/03025.
Zdjęcie wyróżniające: stół optyczny z pułapką laserową do kondensatu Bosego–Einsteina z atomów rubidu, Stanford, 2010 – zdjęcie poglądowe; opisane badania prowadzono w innym układzie (mikrownęka z polarytonami). Fot. Steve Jurvetson, licencja CC BY 2.0, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.
